通过诱导化学作用进行骨骼结构编辑

《Journal of the American Chemical Society》：Skeletal Editing by Tip-Induced Chemistry

单分子合成中通过扫描探针尖端电压脉冲实现氧删除和环收缩反应，生成多环芳烃化合物，并利用STM/AFM和DFT计算验证反应机理及产物结构。

　　在现代化学研究中，分子骨架的编辑技术正逐渐成为一种关键的工具，尤其是在药物开发和绿色化学领域。这种技术允许科学家在合成序列的后期，通过精准地插入、删除或替换单个原子，对有机分子的环状结构进行修改。这不仅能够为药物分子的设计提供新的可能性，还可能为塑料等材料的回收与再利用开辟新的路径。本文报告了一项突破性的研究，展示了如何通过扫描探针显微镜（STM/AFM）系统中施加的电压脉冲，实现对单个分子进行骨架编辑的实验。

研究中，科学家使用了一种名为“二萘并[1,8-bc:1′,8′-ef]氧杂环庚烷”（DNO）的分子作为起始材料。DNO是一种含氧的七元环化合物，其结构在NaCl双层薄膜上被吸附后，能够通过特定的电压条件引发分子内部的化学反应。实验过程中，通过对单个DNO分子施加4.9至5.1伏特的电压脉冲，观察到两种主要的骨架编辑反应：原子的删除和环的收缩。这些反应最终生成了包含并四苯（perylene）骨架的分子。

在实验中，研究人员通过扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）对反应产物进行了原子级别的表征。这些显微技术能够提供分子结构和电子分布的详细信息，使科学家能够准确识别和分析生成的分子。例如，STM图像揭示了并四苯分子的最低未占据分子轨道（LUMO）密度，而AFM图像则展示了分子在不同吸附状态下的形态变化。特别地，当氧气原子被移除后，生成的并四苯分子在表面上的吸附构型表现出与原始DNO分子不同的特征，例如氧原子的缺失和分子环的收缩。

此外，研究人员还观察到一种带有氧原子的分子——1-并四苯氧基自由基（compound 1），其在表面上以负电荷状态存在。通过密度泛函理论（DFT）计算，科学家确认了该分子的电荷状态，并进一步分析了其吸附构型和电子结构。计算结果显示，该分子的C–O键长为1.29 ?，介于单键（如苯酚中的C–O键）和双键（如环己酮中的C–O键）之间，表明其具有共振杂化结构。这一发现不仅为理解骨架编辑的机制提供了依据，也为后续研究如何调控此类反应提供了理论支持。

为了进一步揭示骨架编辑反应的机制，研究团队进行了DFT计算，分析了反应路径和能量壁垒。计算表明，DNO分子在NaCl表面的反应过程可以分为几个关键步骤：首先，C–C键的形成导致中心六元环的生成，同时氧原子迁移至相邻的C–C桥位；随后，氧原子的删除或迁移决定了最终产物的类型。其中，氧原子的删除反应需要较高的能量壁垒，而迁移反应则相对更容易发生。最终，这些反应路径共同促成了并四苯及其相关衍生物的生成。

值得注意的是，实验中并未观察到所有可能的中间体，这表明某些反应路径可能在实际操作中受到限制。此外，研究还指出，使用NaCl作为绝缘表面能够有效减少分子与表面之间的相互作用，从而有利于骨架编辑的进行。相比之下，在Cu(111)表面进行类似实验时，由于较强的化学吸附作用，中间体的形成和反应过程变得更加复杂，甚至可能引发竞争反应。

这项研究的意义在于，它不仅展示了在单分子尺度上实现骨架编辑的可行性，还为未来的分子合成提供了新的思路。通过精确控制电压脉冲，科学家可以实现对特定原子的删除或迁移，从而构建出具有独特电子和化学性质的分子。这种技术在药物分子设计中可能具有重要应用，因为它允许在不重新设计整个合成路线的情况下，对分子结构进行微调。同时，它也为碳纳米结构的电子和磁性功能化提供了新的方法，例如在石墨烯或其他二维材料中引入特定的异原子，以改变其物理和化学特性。

在未来的探索中，研究团队计划进一步研究其他类型的异原子（如硫原子）对骨架编辑反应的影响，并尝试实现更具挑战性的原子插入和交换反应。此外，如何提高骨架编辑反应的选择性和效率，也将成为研究的重点。这些进展不仅可能推动合成化学的前沿，还可能在材料科学、纳米技术和生物医学等领域产生深远的影响。

这项研究还强调了扫描探针显微技术在分子级化学反应中的重要性。STM和AFM不仅能够用于观察分子的结构变化，还能够提供关于分子电子行为的详细信息。例如，通过STM图像可以直观地看到分子的LUMO和HOMO密度分布，从而揭示其电子性质。这种非破坏性的表征方法为研究分子在表面的反应机制提供了独特的视角，使得科学家能够在原子尺度上精确操控化学反应的进程。

总体而言，这项研究为单分子合成技术开辟了新的可能性。通过利用扫描探针显微技术，科学家能够在极低的电压条件下，对分子进行精准的原子级修改。这种技术不仅提高了分子合成的灵活性和效率，还为开发新型材料和药物分子提供了新的工具。未来，随着对骨架编辑机制的深入理解，这项技术有望在更多领域得到应用，包括分子电子学、磁性材料设计以及生物分子的定制化合成。同时，它也为绿色化学的发展做出了贡献，因为它能够在无溶剂、低温和超高真空条件下进行反应，从而减少对环境的影响。